基于供需關系的生態系統服務空間流動研究進展

肖　玉, 謝高地, 魯春霞, 徐　潔,2

1 中國科學院地理科學與資源研究所，北京　100101 2 中國科學院大學，北京　100049

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基于供需關系的生態系統服務空間流動研究進展

肖玉1,*, 謝高地1, 魯春霞1, 徐潔1,2

1 中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101 2 中國科學院大學，北京100049

摘要:生態系統服務研究越來越強調服務與人類福利的關系。生態系統服務空間流動研究試圖在生態系統服務供給與使用之間構建因果聯系，探索服務供給時空動態與人類福利變化的關系。綜述了20世紀90年代以來國內外生態系統服務研究的進展，梳理了生態系統服務空間流動研究發展的脈絡及其出現的必要性，提出了未來生態系統服務空間流動發展的重要方向是分布式空間模擬，但這受到數據可獲得性和專業知識的限制。未來可以通過利用已有地理資源數據庫和派生數據庫增加數據來源，組建由不同學科人員組成的研究團隊來彌補專業知識不足造成的影響。通過生態系統服務空間流動研究，可以在生態系統服務供給和需求之間建立反饋關系，為制定科學合理的管理政策提供科學依據。

關鍵詞：生態系統服務；空間流動；空間特征；模型模擬

Involvement of ecosystem service flows in human wellbeing based on the

從20世紀90年代以來，生態系統服務研究開始成為生態學、生態經濟學等領域關注的熱點。隨著對生態系統服務認識的深入，研究者有關生態系統服務研究的關注點不斷演進。最初的研究強調從生態學角度認識生態系統服務，認為生態系統服務是維持人類生存的生態系統環境條件和過程[1]。隨著聯合國千年生態系統服務評估的開展，生態系統服務開始受到包括學術界、政府、非政府組織等在內的廣泛關注，研究者開始認識到生態系統服務與人類福利之間的關系，將生態系統服務定義為人類從生態系統中獲得的惠益[2- 3]。近年來，生態系統服務的研究中越來越強調人類福利的重要性，認為生態系統服務是“直接享用、消耗和使用以產生人類福利的自然構成”[4]。生態系統服務研究中越來越關注人類需求，離開人類受益者，生態系統的結構和過程無法形成生態系統服務[5- 6]。因此，Burkhard等[7]認為生態系統服務是“生態系統結構和功能結合其他輸入對人類福利的貢獻”。可見，人類福利在生態系統服務的研究中受到越來越多的重視。那么，如何在生態系統服務的研究中體現生態系統服務對人類福利的影響呢？已有的研究大多通過研究某項生態系統服務的增減來描述其對人類福利的影響[2,8- 9]。這些研究中的人類福利大多是空泛的，受益者沒有具體空間位置，也不能確定哪些人群受益。最近，開始有研究者關注生態系統服務的供給與需求及其平衡狀況，以某個區域內人們對生態系統服務的需求是否得到滿足來研究服務對人類福利的影響[10- 11]。但是，這些研究可能存在生態系統服務的供給和需求空間不匹配的問題[12- 13]，即該區域提供的生態系統服務并不用于滿足同一個區域內人類社會的需求。因此，需要對生態系統服務從產生、流動到使用的全過程進行研究，理清生態系統服務從供給到達需求的流動過程，才能明確生態系統服務變化究竟對人類福利產生了什么樣的影響。在此基礎上，才能在生態系統服務的供給與需求之間建立因果關系，反映受益者對服務供給的增加或減少做出的直接響應和反饋。

1生態系統服務供給研究是生態系統服務空間流動研究的基礎

1.1從生態學角度研究生態系統服務形成及其變化機制

20世紀90年代以來的很多生態系統服務研究都是從生態學角度出發，更多關注生態系統結構、過程和功能方面[14- 15]。生態系統服務的產生本身是基于生態系統過程(如養分循環、初級生產、分解作用等)、屬性(生態系統穩定性、恢復力、物理結構等)以及這些過程和屬性在時間和空間上的維持[16- 18]。一些研究者通過野外實驗來探討生態系統服務與生物多樣性以及植物功能性狀之間的關系，并分析其中存在的內在機制[19- 21]，這有助于探索生態系統服務產生與形成的過程及其機制。更多的研究者通過田間試驗和模型模擬獲取生態系統服務動態[22- 26]，將生態系統服務的變化與相關的基礎生態學過程聯系，試圖將這些生態系統服務研究成果應用于生態系統服務管理，但目前并沒有明顯進展。因為這些研究沒有考慮人類需求，或者假設人類社會有對這些生態系統結構、過程和功能產生的生態系統服務有需求。這些研究只是從生態學的角度研究了生態系統服務的供給及其形成和變化的機制，還缺乏有關人類對該項生態系統服務需求的具體研究。

1.2從經濟學角度評價生態系統服務供給及其重要性

與此同時，這一時期還有很多從生態經濟學角度開展的生態系統服務經濟價值的評價研究。這些研究估算出某個區域、某個物種或某個過程的生態系統服務價值[2,8- 9]。影響范圍最廣的是Costanza等[2]在“自然”雜志上發表的論文，其評價結果顯示全球生態系統服務經濟價值為33萬億美元，遠遠超過了當年全球經濟總量，使得圍繞該結果產生了大量爭論[27- 28]。后來，國內外眾多的學者評價了不同區域和不同類型生態系統提供的生態系統服務價值[29- 33]，這為了解全球、國家以及區域尺度的生態系統服務價值空間格局和時間變化提供重要的數據基礎。但是，這些結果主要是從生態經濟學角度評價了生態系統結構、過程和功能對人類福利的貢獻，考慮了人類的需求，但是這些人類需求是寬泛的和不確定的，難以在生態系統管理過程中提供有實用價值的科學結論。

2生態系統服務供給的空間特征研究是服務流動研究的萌芽

生態系統服務的供給是指特定區域在特定時間段內提供特定生態系統產品和服務的能力[34]。生態系統服務供給單元是生態系統服務產生的空間單元[6]，由生態系統、種群及其物理組成構成[35]。生態系統服務供給單元具有明顯的空間異質性，所以其服務供給能力也具有顯著的空間特征。

由于大部分生態系統服務可以在空間上進行模擬和繪圖，使得生態系統服務供給空間特征研究成為可能[36- 37]：糧食生產可以通過將農業過程模型與土地利用、土壤和氣候參數結合來模擬[38]；水供給可以通過流域尺度水平衡公式來模擬，將降雨、實際和潛在蒸散、土地覆被和土壤持水能力與基于過程的水文模型相聯系，用來模擬日徑流，并通過長期日降雨和河流監測數據來校準[39]；通過有關多年生植被覆蓋和土壤類型的方程來模擬洪水調節[40]；水流調節通常利用水文模型與土壤、植被、土地利用和土地覆被、地形和降雨作為主要數據輸入來模擬[41]；侵蝕防護利用土地覆被、地形和土壤可蝕性參數通過通用土壤流失方程來模擬[42]。

隨著生態系統服務供給模擬和繪圖研究的發展，逐漸出現了一些生態系統服務供給模擬工具。目前使用最廣泛的是美國斯坦福大學的Natural Capital項目開發InVEST[43]。它包括用于生物多樣性、美學、碳、海岸保護、水產出、沉積物控制等10多項生態系統服務的獨立模型，結合用來分析生態系統服務的空間格局或者跟蹤土地覆被變化導致的改變。InVEST的模型包括基于代理(Tier 1)的繪圖模型、簡單自然產出公式(Tier 2)以及基于點的過程模型(Tier 3)。InVEST的主要輸入是土地覆被數據和其他相關的環境參數，產出是生物量和經濟價值形式的生態系統服務估計。基礎數據是InVEST模型廣泛使用的最大障礙，獲得需要的空間數據以及對數據進行參數化比較花費時間并且存在出錯的風險。同時，目前InVEST模型沒有不確定性分析，Kareiva等[43]建議使用相關的生態數據對模型進行參數化，得出模型結果的取值范圍并對其不確定性進行度量。因此，未來InVEST模型還需要不斷改進以更加準確的模擬和繪制生態系統服務供給。另外還有SoIVES，是一個用于評價、繪圖和定量認知的生態系統社會價值的GIS工具，如美學、生物多樣性和娛樂[44]。

生態系統服務供給模擬有助于了解生態系統服務供給的空間格局，分析不同生物和環境因素對生態系統服務供給的影響，同時可以利用情景分析的方法研究不同管理措施下生態系統服務供給的變化，為區域生態系統管理提供科學依據。然而，僅針對生態系統服務供給方面的研究,沒有考慮人類對生態系統服務的需求，沒有將服務供給與需求關聯起來，難以提出科學有效的管理政策措施。

3生態系統服務供給與需求的關聯研究促進了生態系統服務流動研究發展

3.1生態系統服務供給與需求之間的空間關聯

Costanza[45]基于服務供給與享用的空間特征提出了一個新的生態系統服務分類方法：(1)全球范圍-非臨近的服務，即人類享用該服務不依賴于與該服務的接近程度，如氣候調節(碳沉積和碳蓄積)；(2)局部范圍臨近的服務，即人類享用該服務依賴于與該服務的接近程度，如暴風雨防護；(3)與直接流動相關的服務，即從生產點流動到使用點，如水供給；(4)原位的服務，即服務產生和享用在同一點，如原材料生產；(5)與使用者運動相關的服務，即人們朝著某個獨特自然特征的運動，如文化/美學價值。這表明生態系統服務產生及其受益者都與特定的空間位置相聯系。Burkhard等[34]認為生態系統服務的研究需要從生態系統服務的供給和需求及其相關聯系來開展研究。Syrbe和Walz[35]提出了服務連接區域，是連接生態系統服務供給單元和使用單元的區域，也是生態系統服務供給和使用相互作用空間，并認為服務連接區域研究面臨的問題是服務的傳輸和變換過程。例如，喀斯特地形區域(服務供給單元)過濾的水，通過長距離地下輸送(服務連接區域)，作為飲用水提供給城市(服務使用單元)居民使用。可見，將生態系統服務供給與需求聯系起來的核心問題是弄清楚服務連接區域內服務的傳輸與變化過程，或者可以稱作生態系統服務的流動[46]。Fisher等[6]在Costanza[45]的研究基礎上將服務產生和效益實現空間關系分為：(1)原位——服務供給和效益實現在同樣位置；(2)全方向——服務在一個位置提供，但是惠及周邊景觀而沒有方向偏好；(3)方向性——服務供給惠及服務流動方向的特定位置。因此，理解服務產生及其效益實現之間的空間關系是研究生態系統服務空間流動的基礎。

3.2基于空間特征的生態系統服務供給與需求及其平衡狀況分析

生態系統服務供給與需求的空間關聯研究始于生態系統服務供給與需求空間特征及其平衡狀況研究[10]。Kroll等[11]在德國東部的農村-城市梯度上利用土地利用、土壤、氣候以及人口、能源消耗、糧食生產等數據評價了能源、食物和水供給服務的供給與需求，并分析其空間分布格局變化。Burkhard等[34]構建了一個生態系統服務供給和需求與景觀單元的聯系矩陣，利用來自遙感、土地調查和土地覆被以及社會經濟數據來評價能源的供給和需求，分析了生態系統服務供給和需求及其平衡狀況的空間格局。楊莉等[47]基于縣級統計數據和土地利用數據，分析了黃河流域生態系統糧食、油料和肉類三類食物生產服務的供給與消費，分析了食物生產服務供給與消費的平衡狀況，利用縣域空間數據將食物生產服務的供給與消費及其平衡狀況進行可視化。

這些研究中有關供給的研究是確切的，因為有確切的生態系統及其空間分布特征，能較為準確地計算出其生態系統服務的供給及分布格局，有關人類需求的估算及其空間分布特征的分析可能也是準確的，因為能夠利用社會經濟統計數據、調查數據和土地利用數據將需求在空間上顯示出來，但是生態系統服務的供給與需求之間可能空間上是錯位的[13]。也就是說，人類利用生態系統服務的位置和產生生態系統服務的生態系統地點之間不匹配[12]。因為沒有對其生態系統服務從供給到使用的空間流動過程進行分析，這些研究中的服務供給單元產生的生態系統服務可能并不用于滿足該區域服務使用單元的人類需求，特別針對一些需要通過流動來實現的服務，如水供給、侵蝕控制等。這種生態系統服務供給與需求之間空間不匹配可能是由于人為原因造成(如修建輸水管道，將水資源輸送到外地，而不是留給下游使用)，有些是因為自然原因(如洪水不可能從低海拔向高海拔流動)。這樣導致生態系統服務供給單元與服務使用單元之間可能沒有直接因果聯系，研究得出的結論也難以為制定科學的管理政策提供依據。

3.3生態系統服務流動研究的發展

生態系統服務流動研究實質上就是要在服務供給與需求之間建立時空關聯，明確生態系統服務所產生的效益在什么時間和地點被享用，為生態系統服務付費等政策措施的制定提供信息[48]。但是，現有的生態系統服務流動的研究大多還停留在概念階段。

Maass等[49]評價了由墨西哥太平洋海岸的Chamela地區的熱帶干旱森林生態系統提供的淡水供給、氣候調節、洪水控制等9項生態系統供給的服務，并畫出了生態系統服務從供給區域向受益區域輸送的示意圖。Palomo等[50]利用參與式調查法分析了西班牙西南部沿海的國家公園的生態供給、調節和文化服務的供給區域和受益區域，并根據服務供給和受益區域的空間位置繪制服務空間流動的概念模型。另外，還有一些研究涉及有關大宗商品貿易的生態系統產品空間流動，如木材和農產品等[51]。Turner等[52]研究了陸地生境保護區為人們提供的生態系統服務的流動，分析了生態服務價值的實現過程，建立了空間流動模型來估計能獲得生態系統服務效益的人口數量，在生態服務供給與受益區建立空間關聯。Serna-Chavez等[48]構建了生態系統服務流動的框架來分析服務供給與受益區之間的空間關聯，提出通過生態系統服務流動支持的受益區面積占總受益區面積比例指標來衡量來自生態系統服務的空間流動效益的重要性，并利用該框架及指標對授粉服務、水供給和氣候調節服務空間流動做了分析。這些研究已經認識到生態系統服務從服務供給單元到服務使用單元需要經歷一個空間流動的過程，同時有的研究可以量化出受益區獲得的生態系統服務有多少來自服務的空間流動，但是并沒有給出生態系統服務空間流動的確切路徑并模擬其空間流動過程。

美國佛蒙特大學在美國自然基金的資助下開展生態系統服務人工智能(Artificial Intelligence for Ecosystem Services, ARIES)項目研究，提出了“服務路徑屬性網絡”(Service Path Attribution Networks, SPANs)模型[53]。該模型集成各類生態學和地理學常用的模擬模型，利用概率貝葉斯網絡來分析生態系統服務從供給點到使用和受益點的流動。ARIES項目組期望這些模型可以模擬生態系統服務在理想、可能、實際、難以獲得和封閉條件下的供給、使用、損耗和流動過程并繪制地圖[54]。目前，ARIES網站列出其已經開發了包括碳匯和碳蓄積、洪水調節、海岸洪水調節、美學景觀、淡水供給、沉積物調節等8項生態系統服務模擬模塊，并將這些模塊應用于不同區域生態系統服務流動模擬。ARIES的設想非常宏大，需要大量的數據和學科知識來支撐，阻礙了其應用。根據其列出的文獻，目前研究更多是在空間上繪制出生態系統服務供給和使用[54-56]，但利用SPANs模型來模擬某項具體的生態系統服務空間流動，并通過空間直觀方法顯示生態系統服務空間流動路徑和流量的研究還幾乎沒有。因此，生態系統服務流動的模擬研究還有很長一段路需要走。

4總結和展望

生態系統服務研究以人為中心，生態系統服務產生、使用和損耗都與人類社會和人類福利有著密切的關系。從20世紀90年代以來，生態系統服務研究經過近20年的快速發展。最初主要關注生態系統服務形成和變化的生態學機制以及經濟價值的評估，逐漸發展到關注生態系統服務與人類福利的關系，這兩方面的研究雖然存在一些爭議(如，同一項生態服務的價值評估方法存在差別，價值評估結果的可信度等)，但目前已經取得較多研究成果，為后面的研究提供了重要基礎。隨后，研究者開始探究生態系統提供的生態服務與人類福利之間的空間關系，研究生態系統服務從供給區流動到使用區的實現過程，試圖在生態系統服務的供給與使用之間構建一個因果聯系。這方面的研究難度較大，目前研究成果還較少，并沒有突破性進展。不過，即便如此也有很多研究者開始投入生態系統服務空間流動的研究，期望通過這些研究在生態系統服務與人類福利之間建立反饋關系，獲得能指導實踐的科學結論。

今后一段時間內，結合地理要素空間分布特征的分布式模擬仍是研究生態系統服務空間流動的重要發展方向。SPANs模型就是試圖通過分布式空間模擬來分析生態系統服務空間流動過程與路徑，雖然現在還沒有突破性進展，這仍將是未來生態系統服務空間流動研究發展重要方向。這類方法充分考慮地形地貌、植被、土壤、土地利用等地理要素的空間異質性，模擬生態系統服務空間流動的真實狀態，能明確生態系統服務從供給區到受益區的傳輸過程，確定生態系統服務供給和享用的利益相關者，為制定科學合理的生態補償和生態付費等政策管理措施提供科學依據。生態系統服務空間流動分布式模擬研究發展受到數據獲得性和專業知識的限制，而且適用于中小尺度(如流域)，在大尺度(如國家或全球)難以應用。要克服數據缺乏的限制，一方面是直接利用已有的各類數據庫，包括地理、生態、自然資源方面的矢量和遙感數據，另一方面也要利用從已有數據中派生出的新數據，如利用遙感數據計算的植被指數、NPP等數據。要克服專業知識缺乏的限制需要在生態系統服務流動空間模擬工作中組建由來自不同學科人員構成的研究團隊，如水文學、地理學、生態學、氣象學、計算機學等學科，通過學科交叉互補，綜合各類專業知識實現生態系統服務的空間流動模擬。盡管存在很大困難，生態系統服務從供給單元到使用單元的空間流動過程仍然需要研究，因為只有這樣才能準確的確定生態系統服務的供給區域和使用區域，確定服務供給和使用的利益相關者，在生態系統服務的供給和使用之間建立一個反饋，將服務的供給與需求有機聯系起來，為制定科學合理的管理政策提供科學依據。

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relationship between supply and demand

XIAO Yu1,*, XIE Gaodi1, LU Chunxia1, XU Jie1,2

1InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Recent ecosystem service flow studies have highlighted the relationship between services and human wellbeing. Ecologists have tried to establish a causal connection between service supply and use, and have attempted to explore the relationship between the temporal and spatial dynamics of service supply and change to human wellbeing. In this report, we review previous studies on ecosystem service flows since the 1990s and investigate the progress that has occurred and its importance. The initial studies focused on the mechanism behind ecosystem service flows and assessed its economic impact, which established a solid basis for further research. The progressively better understanding of the spatial characteristics of ecosystem service supply and use encouraged more researchers to get involved in this study field using simulation modeling, and to investigate supply and use balance at different spatial scales. Analysis of the spatial relationship between service supply areas and use areas identified the existence of a wide spatial mismatch in many types of ecosystem service areas. Therefore, it is necessary to investigate ecosystem service flows in order to understand the process driving the transformation of service production areas into use areas and to clearly define the spatial extent of service providers and beneficiaries. Although several studies on ecosystem service flows have been conducted, information on the distributed simulation of future conditions is limited due to a lack of systematic data and specialized professional knowledge. The data shortage issue can be resolved by using existing databases and derivative databases on geography, ecology, and natural resources. The gap in specialized professional knowledge can be bridged if professionals from different disciplines, such as hydrology, geography, ecology, meteorology, and computer science, join forces. The study of ecosystem service flows will help develop the feedback relationships between ecosystem service supply and demand and will underpin scientific knowledge of ecosystem management.

Key Words:ecosystem services; spatial flow; spatial characteristics; simulation modeling

基金項目:國家科技支撐課題(2013BAC03B05)；國家自然科學基金項目(31400411)

收稿日期:2014- 11- 17; 網絡出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: xiaoy@igsnrr.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201411172274

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